JP2512967B2 - Microwave discharge light source device - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、マイクロ波放電を利用した低圧水銀放電
のマイクロ波放電光源装置に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a microwave discharge light source device for low pressure mercury discharge using microwave discharge.

［従来の技術］ 従来、低圧水銀放電の光源装置としては蛍光灯で代表
される有電極の低圧水銀ランプがある。低圧水銀ランプ
には、蛍光灯以外に特に低圧水銀の発光線254nm線、１
を5nm線を放射し、光化学反応に使用するランプがあ
る。光化学反応に使用する低圧水銀ラン線プでは、光出
力を上げるため高電力型と称するものがある。高電力型
の低圧水銀ランプでは管壁温度が上昇し、水銀蒸気圧が
上がって254nm線、185nm線の効率が低下するため、ラン
プの一部を水冷し、管壁の温度を42℃前後にして254mm
線の効率を上げるものが良く知られている。しかし、有
電極の低圧水銀ランプでは、電極のスパッタによる放電
管の劣化があり特に高電力型ではランプの寿命が短くな
る。[Prior Art] Conventionally, as a light source device for low-pressure mercury discharge, there is a low-pressure mercury lamp with an electrode represented by a fluorescent lamp. In addition to fluorescent lamps, low-pressure mercury lamps include low-pressure mercury emission lines of 254 nm and 1
There is a lamp that emits a 5 nm ray and is used for photochemical reactions. Among low-pressure mercury lamps used in photochemical reactions, there is a type called high power type for increasing light output. In high-power low-pressure mercury lamps, the wall temperature rises, and the mercury vapor pressure rises, lowering the efficiency of the 254 nm line and the 185 nm line. 254 mm
It is well known to improve the efficiency of lines. However, in a low-pressure mercury lamp with an electrode, the discharge tube is deteriorated due to the sputtering of the electrode, and the life of the lamp is shortened especially in the high power type.

これに対し、最近無電極でランプ寿命が長いマイクロ
波放電を利用した光源装置が注目されている。On the other hand, recently, a light source device using microwave discharge, which has no electrodes and has a long lamp life, has been attracting attention.

例えば、実開昭61−161949号公報にマイクロ波放電を
利用した光源装置が提案されている。この装置では、放
電管の一部を強制空冷し、放電管の一部に温度の低い部
分を作る。封入物質として水銀を選べば、放電管の一部
に温度の低い部分があり、水銀の蒸気圧が抑えられ、水
銀の発光線185nm線および254nm線の効率がある程度確保
できる。しかし、強制空冷では冷却能力が低いため、放
電電力を増した場合、放電管の温度が上昇し、放電管内
の封入水銀が蒸発して水銀蒸気圧が上がる。水銀蒸気圧
が上がると、185nm線、254nm線共に効率が低下する。マ
イクロ波放電光源装置では、放電管がマイクロ波電磁界
にさらされている。冷却能力を上げようと、放電管を水
冷しようとして放電管の一部を水に浸す構成にすれば、
水がマイクロ波電磁界を非常に弱めるため、放電管内で
放電させることが不可能になる。このため、やむを得ず
空冷にせざるを得ない。For example, a light source device utilizing microwave discharge has been proposed in Japanese Utility Model Publication No. 61-161949. In this device, a part of the discharge tube is forcibly air-cooled to form a low temperature part in the part of the discharge tube. If mercury is selected as the encapsulating material, there is a low temperature part in the discharge tube, the vapor pressure of mercury is suppressed, and the efficiency of the mercury emission line 185 nm line and 254 nm line can be secured to some extent. However, since the cooling capacity is low in forced air cooling, when the discharge power is increased, the temperature of the discharge tube rises, the enclosed mercury in the discharge tube evaporates, and the mercury vapor pressure rises. As the mercury vapor pressure increases, the efficiency decreases for both the 185 nm line and the 254 nm line. In the microwave discharge light source device, the discharge tube is exposed to the microwave electromagnetic field. In order to increase the cooling capacity, if you try to cool the discharge tube with water and immerse part of the discharge tube in water,
Water makes the microwave field so weak that it is impossible to make a discharge in the discharge tube. For this reason, it is unavoidable to perform air cooling.

［発明が解決しようとする問題点］ このように、従来のマイクロ波放電光源装置は、風冷
によって放電管の管壁温度を制御しているので、熱伝達
率が悪く、光源の光出力を上げるために放電電力を増す
と、水銀蒸気圧が上昇してしまい最冷点温度をコントロ
ールできないため、185nm線、254nm線共に効率が低下す
る。したがって放電電力を増しても185nm線や254nm線の
強度を上げることが難しいという問題点があった。[Problems to be Solved by the Invention] As described above, in the conventional microwave discharge light source device, since the tube wall temperature of the discharge tube is controlled by air cooling, the heat transfer coefficient is poor and the light output of the light source is reduced. When the discharge power is increased to raise the temperature, the mercury vapor pressure rises and the coldest spot temperature cannot be controlled, so the efficiency decreases for both the 185 nm line and the 254 nm line. Therefore, there is a problem that it is difficult to increase the intensity of the 185 nm line and the 254 nm line even if the discharge power is increased.

この発明は、上記のような問題点を解消するためにな
されたもので、放電電力を上げても管内蒸気圧を適正に
コントロールできるマイクロ波放電光源装置を得ること
を目的とする。The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to obtain a microwave discharge light source device capable of appropriately controlling the vapor pressure in a tube even when the discharge power is increased.

［問題点を解決するための手段］ この発明に係るマイクロ波放電光源装置は、放電管の
管壁の一部をマイクロ波空胴の外に露出させ、上記管壁
の一部を温度制御することにより、水銀蒸気圧を最適化
できるようにしたものである。[Means for Solving Problems] In the microwave discharge light source device according to the present invention, a part of the tube wall of the discharge tube is exposed to the outside of the microwave cavity, and a part of the tube wall is temperature-controlled. As a result, the mercury vapor pressure can be optimized.

［作用］ この発明における放電管は、マイクロ波空胴の外に設
けられた放電管の管壁の一部が加熱又は冷却され、水銀
蒸気圧が最適にコントロールされる。[Operation] In the discharge tube according to the present invention, a part of the wall of the discharge tube provided outside the microwave cavity is heated or cooled, and the mercury vapor pressure is optimally controlled.

［発明の実施例］ 以下この発明の一実施例を図について説明する。第１
図（ａ）はこの発明の一実施例を示す概観断面図であ
る。図において（１）はマイクロ波を伝送する導波管、
（２）は金属メッシュ、（12）は接続フランジ（10）、
（11）で導波管（１）に接続され、給電されたマイクロ
波をとじこめる、光透過材の金属メッシュから成る円筒
のマイクロ波空胴であり、フランジ（10）の下面、金属
メッシュ（２）の側面および底面で囲まれた空間であ
る。（３）は真空紫外光の水銀共鳴線を放射する合成石
英ガラスから成る円筒形状の放電管であり、プラズマ媒
体として希ガスのArガスおよび水銀（８）が封入されて
いる。放電管（３）は一部がマイクロ波空胴（12）の外
部に伸びている。（６）は放電管（３）のマイクロ波空
胴（12）の外部にある部分に熱的に接触された例えば金
属から成る伝熱器であり、一部に加熱又は、冷却するた
めの例えばペルチェ効果を用いた電子冷却素子を用いた
温度コントローラ（７）が取付けられている。第１図
（ｂ）はこの発明の他の実施例を示す概略断面図であ
り、（４）は放電管（３）の一部を絞った連通管で端部
に水銀留（５）を形成し、水銀留（５）の管壁に伝熱器
（６）が熱的に接触されている。An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. First
FIG. 1A is a schematic sectional view showing an embodiment of the present invention. In the figure, (1) is a waveguide that transmits microwaves,
(2) is a metal mesh, (12) is a connecting flange (10),
A cylindrical microwave cavity made of a metal mesh of a light-transmitting material, which is connected to the waveguide (1) at (11) and traps the supplied microwave, and which is formed on the lower surface of the flange (10) and at the metal mesh (2). ) Is a space surrounded by side and bottom surfaces. (3) is a cylindrical discharge tube made of synthetic quartz glass that radiates mercury resonance lines of vacuum ultraviolet light, and Ar gas of rare gas and mercury (8) are enclosed as a plasma medium. A part of the discharge tube (3) extends outside the microwave cavity (12). Reference numeral (6) is a heat exchanger made of, for example, a metal, which is in thermal contact with a portion of the discharge tube (3) outside the microwave cavity (12). A temperature controller (7) using an electronic cooling element using the Peltier effect is attached. FIG. 1 (b) is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the present invention, and (4) is a communicating tube in which a part of the discharge tube (3) is narrowed to form a mercury distillate (5) at the end. However, the heat exchanger (6) is in thermal contact with the tube wall of the mercury distillate (5).

次に動作について説明する。導波管（１）を伝送され
たマイクロ波は、マイクロ波空胴（12）に給電され、マ
イクロ波空胴（12）内にマイクロ波電磁界を形成する。
この場合、円筒のマイクロ波空胴内にTE111モードを励
振すると、放電前のマイクロ波電界は第２図の矢印
（９）に示した様になる。このマイクロ波電界により放
電管（３）が放電発光し、その光は金属メッシュのマイ
クロ波空胴を透過してとり出される。ここで、マイクロ
波空胴の外に配置された第１図（ａ）の放電管（３）あ
るいは第１図（ｂ）にある連通管（４）の端部にある水
銀留（５）の管壁温度を温度コントローラ（７）により
設定してやれば、最冷点温度をコントロールすることが
でき、放電管（３）内の水銀蒸気圧を調整することがで
きる。第１図（ｂ）の実施例によればマイクロ波空胴
（12）内に放電管（３）を配置し、マイクロ波空胴（1
2）外に連通管（４）を通して端部に水銀留（５）を配
したので、放電発光部と水銀蒸気圧コントロール部を分
離することができる。したがって放電電力の大小に係り
なく、最冷点温度を正確にコントロールできる。なお、
放電管（３）に水銀蒸気を導入する連通管（４）は、第
２図に示すマイクロ波電界のうち、電界の弱い部分から
導入することにより、放電管内のプラズマ（図示しな
い）が、マイクロ波空胴外に伸びてくるのを少なくで
き、より大きなマイクロ波電力を印加できる。Next, the operation will be described. The microwave transmitted through the waveguide (1) is fed to the microwave cavity (12) to form a microwave electromagnetic field in the microwave cavity (12).
In this case, when the TE111 mode is excited in the cylindrical microwave cavity, the microwave electric field before discharge becomes as shown by the arrow (9) in FIG. The discharge electric field is emitted from the discharge tube (3) by this microwave electric field, and the light is extracted through the microwave cavity of the metal mesh. Here, the mercury discharge (5) at the end of the discharge tube (3) shown in FIG. 1 (a) or the communication tube (4) shown in FIG. 1 (b) arranged outside the microwave cavity is If the tube wall temperature is set by the temperature controller (7), the coldest spot temperature can be controlled and the mercury vapor pressure in the discharge tube (3) can be adjusted. According to the embodiment of FIG. 1 (b), the discharge tube (3) is arranged in the microwave cavity (12), and the microwave cavity (1
2) Since the mercury distillate (5) is arranged at the end through the communication pipe (4) to the outside, the discharge light emitting part and the mercury vapor pressure control part can be separated. Therefore, the coldest spot temperature can be accurately controlled regardless of the magnitude of the discharge power. In addition,
The communication tube (4) for introducing mercury vapor into the discharge tube (3) is introduced from a weak electric field portion of the microwave electric field shown in FIG. It is possible to reduce the extension to the outside of the wave cavity and to apply a larger microwave power.

第１図（ｂ）の場合は、連通管をマイクロ波電界の向
きに直角な方向にマイクロ波空胴から露出させている。In the case of FIG. 1 (b), the communication tube is exposed from the microwave cavity in a direction perpendicular to the direction of the microwave electric field.

なお、上記実施例では連通管（４）をガラスで構成し
たものを示したが、第３図に示す様に、連通管の一部を
金属で構成してもよい。図において（14）はガラス金属
連通管であり金属部（24）はマイクロ波空胴（12）の外
に配置されている。以上の構成にすれば、マイクロ波空
胴（12）の連通管部分から表面波モードとなって伝ぱん
されるマイクロ波の洩れをなくすことができるので、放
電管内のプラズマ（図示しない）が、マイクロ波空胴外
に伸びてくるのをさらに少なくできる。なお、第１図
（ａ）のマイクロ波空胴から露出している放電管の管壁
の一部を金属で構成すれば同様の効果を奏する。In the above embodiment, the communication pipe (4) is made of glass, but a part of the communication pipe may be made of metal as shown in FIG. In the figure, (14) is a glass-metal communicating pipe, and the metal part (24) is arranged outside the microwave cavity (12). With the above configuration, it is possible to prevent leakage of microwaves propagated in the surface wave mode from the communicating tube portion of the microwave cavity (12), so that plasma (not shown) in the discharge tube It can be further reduced to extend outside the microwave cavity. The same effect can be obtained if a part of the tube wall of the discharge tube exposed from the microwave cavity of FIG. 1 (a) is made of metal.

又、上記実施例では伝熱器と温度コントローラによ
り、加熱・冷却したが、水あるいは湯等液体で、直接水
銀留の管壁又は第１図（ａ）に示すマイクロ波空胴から
露出している放電管（３）の管壁の一部を加熱・冷却す
る構成にしても上記実施例と同様の効果を奏す。Further, in the above-mentioned embodiment, the heating and cooling are performed by the heat transfer device and the temperature controller, but the liquid is exposed to water or a liquid such as hot water directly from the tube wall of the mercury fraction or the microwave cavity shown in FIG. Even if a part of the tube wall of the existing discharge tube (3) is heated / cooled, the same effect as in the above embodiment can be obtained.

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば放電管の管壁の一部
をマイクロ波空胴外に露出させ、上記管壁の一部を温度
制御する温度コントローラを設けたので、最冷点温度を
正確に設定でき、水銀の共鳴線を効率良く発光できる。As described above, according to the present invention, since a part of the tube wall of the discharge tube is exposed outside the microwave cavity and the temperature controller for controlling the temperature of the part of the tube wall is provided, The coldest spot temperature can be set accurately and the resonance line of mercury can be efficiently emitted.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第１図（ａ）はこの発明の一実施例によるマイクロ波放
電光源装置を示す概観断面図、第１図（ｂ）はこの発明
の他の実施例を示す概観断面図、第２図は第１図（ｂ）
のＡ−Ａ線での断面図、第３図はこの発明の他の実施例
を示す概観断面図である。 図中（１）は導波管、（２）は金属メッシュ、（３）は
放電管、（４）は連通管、（５）は水銀留、（６）は伝
熱器、（７）は温度コントローラ、（12）はマイクロ波
空胴、（14）はガラス金属連通管。 なお図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。FIG. 1 (a) is a schematic sectional view showing a microwave discharge light source device according to an embodiment of the present invention, FIG. 1 (b) is a schematic sectional view showing another embodiment of the present invention, and FIG. Figure 1 (b)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the present invention. In the figure, (1) is a waveguide, (2) is a metal mesh, (3) is a discharge tube, (4) is a communicating tube, (5) is a mercury distillate, (6) is a heat exchanger, and (7) is Temperature controller, (12) microwave cavity, (14) glass-metal communication tube. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西前 順一 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社応用機器研究所内 (72)発明者 植田 至宏 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社応用機器研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Junichi Nishimae 8-1-1 Tsukaguchihonmachi, Amagasaki City, Hyogo Prefecture Mitsubishi Electric Corporation Applied Equipment Laboratory (72) Inventor Yoshihiro Ueda 8 Tsukaguchihonmachi, Amagasaki City, Hyogo Prefecture 1-1-1, Mitsubishi Electric Corporation Applied Equipment Research Laboratory

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】マイクロ波空胴内に放電管を備え、マイク
ロ波により放電管内のプラズマ媒体を放電発光させ、こ
の発光を上記マイクロ波空胴外に放射させるマイクロ波
放電光源装置において、上記放電管の管壁の一部を上記
マイクロ波空胴外に露出させ、上記管壁の一部を温度制
御するコントローラを備えたことを特徴とするマイクロ
波放電光源装置。1. A microwave discharge light source device comprising a discharge tube in a microwave cavity for causing a plasma medium in the discharge tube to emit light by microwaves and radiating the emitted light to the outside of the microwave cavity. A microwave discharge light source device comprising a controller for exposing a part of a tube wall of the tube to the outside of the microwave cavity and controlling a temperature of the part of the tube wall. 【請求項２】管壁の一部は上記マイクロ波空胴の電界の
弱い部分よりマイクロ波空胴外に露出していることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載のマイクロ波放電光
源装置。2. The microwave discharge light source according to claim 1, wherein a part of the tube wall is exposed outside the microwave cavity from a portion where the electric field of the microwave cavity is weak. apparatus. 【請求項３】放電管の露出部分の管径を絞ったことを特
徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載のマイク
ロ波放電光源装置。3. The microwave discharge light source device according to claim 1 or 2, wherein the diameter of the exposed portion of the discharge tube is reduced. 【請求項４】放電管の露出部分の少なくとも一部が金属
で形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
項ないし第３項のいずれかに記載のマイクロ波放電光源
装置。4. The first aspect of the present invention, wherein at least a part of the exposed portion of the discharge tube is made of metal.
The microwave discharge light source device according to any one of items 1 to 3. 【請求項５】温度コントローラは水冷器を備えたもので
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４
項のいずれかに記載のマイクロ波放電光源装置。5. The temperature controller is provided with a water cooler, and the temperature controller is claimed in any one of claims 1 to 4.
The microwave discharge light source device according to any one of items. 【請求項６】温度コントローラはペルチェ効果を用いた
電子冷却素子を備えたものであることを特徴とする特許
請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載のマイ
クロ波放電光源装置。6. The microwave discharge light source device according to any one of claims 1 to 4, wherein the temperature controller includes an electronic cooling element using a Peltier effect.